(57)【要約】  アクチュエータデバイスは、各電気活性ポリマーアクチュエータがスイッチング回路を有する電気活性ポリマーアクチュエータの行及び列のアクティブマトリクスアレイを含む。スイッチング回路は、駆動トランジスタとキャパシタ構成とを有する。キャパシタ構成は、駆動トランジスタ閾値電圧に由来する電圧と組み合わされた電気活性ポリマーアクチュエータの駆動電圧に由来する電圧まで充電される。キャパシタ構成のこのプログラミングの間、ＥＡＰアクチュエータは、いかなる電流の流れからも切り離される。スイッチング回路は、閾値電圧の経年変化の補償を可能にする。このように、経年の影響を補償するために、フレーム時間当たり１回（又は複数フレーム当たり１回）電流供給ＴＦＴの閾値電圧を測定することにより、低い性能（すなわち、不十分な閾値電圧安定性による）のトランジスタを使用することができる。
2019537408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各電気活性ポリマーアクチュエータがスイッチング回路を有する電流駆動の当該電気活性ポリマーアクチュエータの行及び列のアクティブマトリクスアレイを含むアクチュエータデバイスであって、
前記スイッチング回路が、
前記電気活性ポリマーアクチュエータを通る電流を駆動するための駆動トランジスタと、
前記駆動トランジスタのゲートとソース又はドレインとの間に直列に接続された第１のキャパシタ及び第２のキャパシタであり、
前記スイッチング回路へのデータ入力が、前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタとの間の接合点に供給され、それによって、前記電気活性ポリマーアクチュエータの駆動電圧に由来する電圧まで前記第２のキャパシタを充電し、駆動トランジスタ閾値電圧に由来する電圧が前記第１のキャパシタに蓄積される、第１のキャパシタ及び第２のキャパシタと、
行のすべての電気活性ポリマーアクチュエータの間で共有されるか、又は前記アクティブマトリクスアレイのすべての電気活性ポリマーアクチュエータの間で共有され、前記電気活性ポリマーアクチュエータと基準端子との間にある断路スイッチと
を含む、アクチュエータデバイス。
【請求項２】
前記駆動トランジスタがアモルファス半導体トランジスタである、請求項１に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項３】
前記電流駆動の電気活性ポリマーアクチュエータが、共役ポリマーアクチュエータ、カーボンナノチューブポリマー複合材アクチュエータ、又はイオンポリマー金属複合材アクチュエータを含む、請求項１又は２に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項４】
各スイッチング回路が、入力データラインと、前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタの間の前記接合点との間に接続された第１の入力トランジスタを更に含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項５】
各スイッチング回路が、
前記駆動トランジスタの前記ゲートと前記ドレインとの間に接続された第２のトランジスタと、
前記第２のキャパシタの端子間に接続された第３のトランジスタと
を更に含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項６】
前記第２のトランジスタ及び前記第３のトランジスタが、各々、行のスイッチング回路間で共有されるそれぞれの第２のゲート制御ライン及び第３のゲート制御ラインによって制御される、請求項５に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項７】
前記第２のゲート制御ライン及び前記第３のゲート制御ラインが、単一の共用制御ラインを含む、請求項６に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項８】
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタが、前記駆動トランジスタの前記ゲートと前記ソースとの間に直列に接続される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項９】
各スイッチング回路が、前記駆動トランジスタのソースと接地電位ラインとの間に接続された第４のトランジスタを更に含む、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項１０】
前記第４のトランジスタが、行のスイッチング回路間で共有される第４のゲート制御ラインによって制御される、請求項９に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項１１】
前記駆動トランジスタがｎ型トランジスタを含む、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項１２】
各々が、関連するスイッチング回路を有する、電流駆動の電気活性ポリマーアクチュエータのアレイを含むアクティブマトリクスデバイスを駆動する方法であって、各スイッチング回路が、関連する前記電流駆動の電気活性ポリマーアクチュエータを通る電流を駆動するための駆動トランジスタを含み、前記方法が、スイッチング回路ごとに、
行のすべての電気活性ポリマーアクチュエータ、又は前記アレイのすべての電気活性ポリマーアクチュエータを、接地端子から分離するステップと、
前記駆動トランジスタを通る接地への電流を駆動して、結果として生じるゲート−ソース電圧まで第１のキャパシタを充電するステップと、
前記駆動トランジスタがオフになるまで前記第１のキャパシタを放電させ、それによって、前記第１のキャパシタが閾値電圧を蓄積するステップと、
前記駆動トランジスタのゲートとソース又はドレインとの間の前記第１のキャパシタと直列の第２のキャパシタを、データ入力電圧まで充電するステップと、
前記行のすべての電気活性ポリマーアクチュエータ又は前記アレイのすべての電気活性ポリマーアクチュエータを前記接地端子に結合させるステップと、
前記第１及び第２のキャパシタ間の電圧に由来するゲート電圧を使用して、前記電気活性ポリマーアクチュエータを通る接地への電流を駆動するために前記駆動トランジスタを使用するステップと
を有する、方法。
【請求項１３】
前記第２のキャパシタを充電するステップが、データラインと前記スイッチング回路への入力部との間に接続されたアドレストランジスタをオンに切り替えることによって実行される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
行のスイッチング回路ごとの前記アドレストランジスタが、共通の行アドレス制御ラインによって同時にオンに切り替えられ、１つの行のスイッチング回路の前記アドレストランジスタは、１つの隣接する行の前記アドレストランジスタがオフにされた実質的に直後にオンにされる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
各スイッチング回路の前記第１のキャパシタが、作動フレーム期間の初期の閾値測定期間に、前記スイッチング回路駆動トランジスタのそれぞれの閾値電圧を蓄積するために充電され、前記作動フレーム期間のスイッチング回路駆動期間が前記閾値測定期間に続く、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気活性ポリマーを利用したアクチュエータデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気活性ポリマー（ＥＡＰ）は、電気応答性材料の分野における新生の種類の材料である。ＥＡＰは、センサ又はアクチュエータとして働き、様々な形状に容易に製造され、多種多様のシステムに容易に組み込むことができる。
【０００３】
過去１０年の間に著しく改善された作動応力及び歪等の特性をもつ材料が開発されている。技術リスクは製品開発にとって許容可能なレベルまで低減されており、その結果、ＥＡＰデバイスは、商業的及び技術的に関心が高まっている。ＥＡＰデバイスの利点には、低電力、小さいフォームファクタ、柔軟性、静かな動作、精度、高分解能の可能性、高速応答時間、及び周期的作動が含まれる。
【０００４】
ＥＡＰ材料の改善された性能及び特定の利点は、新しい用途への適用可能性をもたらす。
【０００５】
ＥＡＰデバイスは、構成要素又は機構の少量の動きが望まれる任意の用途において、電気作動に基づいて使用される。同様に、この技術は、わずかな動きを感知するために使用される。
【０００６】
ＥＡＰデバイスの使用により、通常のアクチュエータと比較して小さい体積又は薄いフォームファクタで比較的大きい変形と力とを組み合わせるので、以前に可能でなかった機能が可能になるか、又は通常のセンサ／アクチュエータ解決策と比べて大きい利点が提供される。ＥＡＰデバイスは、更に、静かな動作、正確な電子制御、速い応答、及び０〜２０ｋＨｚ等の大きい範囲の可能な作動周波数を提供する。
【０００７】
電気活性ポリマーを使用するデバイスは、電界駆動材料とイオン駆動材料とに細分される。
【０００８】
電界駆動ＥＡＰデバイスの例は、誘電エラストマー、電歪ポリマー（ＰＶＤＦ系リラクサポリマー又はポリウレタン等の）、及び液晶エラストマー（ＬＣＥ）である。
【０００９】
イオン駆動ＥＡＰデバイスの例は、共役ポリマー、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ポリマー複合材、及びイオンポリマー金属複合材（ＩＰＭＣ）である。
【００１０】
電界駆動ＥＡＰデバイスは、直接電気機械結合を介して電界によって作動されるが、イオンＥＡＰデバイスの作動機構は、イオンの拡散を含み、そのために、イオンＥＡＰデバイスは電流駆動デバイスである。両方の種類は、各々がそれ自体の利点及び欠点を有する多数のファミリメンバを有する。
【００１１】
図１及び図２は、ＥＡＰデバイスの２つの可能な動作モードを示す。
【００１２】
デバイスは電気活性ポリマー層１４を含み、電気活性ポリマー層１４はその両側にある電極１０と電極１２との間に挟まれる。
【００１３】
図１は、クランプされていないデバイスを示す。電気活性ポリマー層を図示のようにすべての方向に膨張させるために電圧が使用される。
【００１４】
図２は、膨張が一方向でのみ生じるように設計されたデバイスを示す。このデバイスは、支持体層１６によって支持される。電気活性ポリマー層を曲げるか又は湾曲させるために電圧が使用される。
【００１５】
この動きの性質は、例えば、作動されたとき膨張する活性層と、受動支持体層との間の相互作用から生じる。図示のように軸のまわりの非対称な曲げを得るために、分子配向（フィルム延伸）が、例えば、適用され、それにより、動きを一方向に強制する。
【００１６】
一方向の膨張は、電気活性ポリマーの非対称性から生じるか、支持体層の性質の非対称性から生じるか、又は両方の組合せから生じる。
【００１７】
特定の用途において、例えば、位置決めシステム及び制御型トポロジー表面ではアクチュエータのアレイが有用である。しかしながら、アクチュエータの駆動電圧はかなり高いので、各アクチュエータを個々にそれ自体のドライバＩＣで駆動するのはすぐに高価になる。
【００１８】
パッシブマトリクスアレイは、行（ｎ行）接続と列（ｍ列）接続のみを使用するアレイ駆動システムの簡単な実施態様である。（ｎ×ｍ）個までのアクチュエータをアドレス指定するのに（ｎ＋ｍ）個のドライバしか必要としないので、これは、はるかに費用効率の高い手法であり、更に、追加のワイヤリングのコスト及び空間を節約する。
【００１９】
理想的には、パッシブマトリクスデバイスでは、各々個別のアクチュエータが、隣接するアクチュエータに影響を及ぼすことなく最大変位まで作動されるべきである。しかしながら、従来のＥＡＰアクチュエータ（電圧閾値挙動のない）のアレイでは、隣接するアクチュエータへの若干のクロストークが存在する。駆動電圧が、例えば、１つのアクチュエータを作動させるために印加されると、そのまわりのアクチュエータも電圧を感じて、部分的に作動することになり、それは、多くの用途にとって望ましくない作用である。そのために、パッシブマトリクスアドレス指定方式では、各アクチュエータを他のアクチュエータから独立して個別にアドレス指定することは簡単ではない。
【００２０】
例えば電子ブライユ点字用途では、電気活性ポリマーアクチュエータのアレイをアドレス指定するためにアクティブマトリクスを使用することが考えられている。アクティブマトリクス手法は、行導体と列導体の交点における各電気活性ポリマーアクチュエータにスイッチングデバイスを設けることを含む。このようにして、アレイ内の各アクチュエータは、必要に応じて、個別に作動される。アクティブマトリクスアドレス指定方式は、アレイ内の任意のランダムなパターンのアクチュエータを同時に作動させることが可能であることを意味する。
【００２１】
電界駆動ＥＡＰのアクティブマトリクス設計を計画する場合、スイッチングデバイス、例えばトランジスタが、数百ボルトになることがある高い作動電圧に耐えることができる必要があるという問題が生じる。これは、アレイデバイスへの集積に適した既存のトランジスタが扱うことができ得る電圧よりはるかに高い。
【００２２】
それゆえに、アクティブマトリクスアドレス指定方式で使用するためのイオン（電流駆動）ＥＡＰデバイスに特別な関心がある。イオンＥＡＰデバイスは、イオン及び／又は溶媒の電気誘導輸送によって活性化される。例えば、イオンＥＡＰデバイスは、通常、低電圧であるが大電流を必要とし、例えば、イオンＥＡＰデバイスは、低い、そのためにより安全な約５Ｖの電圧で作動することができる。イオンＥＡＰデバイスは、液体／ゲル電解質媒体を必要とする（いくつかの材料系は固体電解質を使用して動作することもできるが）。より低い電圧でアドレス指定できることにより、容易に利用可能なスイッチングデバイスを使用することができる。
【００２３】
上記のイオンＥＡＰデバイスの異なるタイプを、次に、更に詳細に説明する。
【００２４】
図３は、導電性電極表面３２間にポリマーメンブレン３０を含むイオンポリマー金属複合材（ＩＰＭＣ）ＥＡＰの一例を示す。アニオン３４はメンブレンに固定され、カチオン３６は移動性である。カチオン３６は、水分子３８によって水和される。電圧が印加されると、水和カチオンはカソードに移動し、ポリマー膨張をもたらす。
【００２５】
ＩＰＭＣアクチュエータは、このようにして、２つの薄い金属又は炭素ベース電極間に積層にされた溶媒膨潤イオン交換ポリマーメンブレンからなり、電解質の使用を必要とする。典型的な電極材料は、Ｐｔ、Ｇｄ、ＣＮＴ、ＣＰ、Ｐｄである。典型的な電解質は、Ｌｉ＋及びＮａ＋水性溶液である。電場が印加され、電流が誘導されると、カチオンは、一般に、水と一緒にカソード側に移動する。これにより、親水性クラスタの再組織化及びポリマー膨張がもたらされる。カソード区域の歪みがポリマーマトリクスの残部に応力をもたらし、それにより、アノードの方に曲がることになる。印加電圧を逆にし、電流を反対方向に誘導すると、曲げが逆になる。よく知られているポリマーメンブレンは、Ｎａｆｉｏｎ（商標）及びＦｌｅｍｉｏｎ（商標）である。
【００２６】
図４は、共役ポリマーの２つの層４２、４４によって挟まれた電解質４０を含む共役ポリマーアクチュエータの一例を示す。電解質は、酸化状態を変化させるために使用される。電位が電解質を介してポリマーに印加されると、電子が、誘導電流によってポリマーに追加されるか又はポリマーから取り除かれ、酸化又は還元が引き起こされる。還元は収縮をもたらし、酸化は膨張をもたらす。このようにして、湾曲が、図４に示すように縮小側４６の方に誘導される。場合によっては、ポリマーそれ自体が十分な導電性を欠いている場合、薄膜電極が追加される。電解質は、液体、ゲル、又は固体材料（すなわち、高分子量ポリマーと金属塩の錯体）とすることができる。最も一般的な共役ポリマーは、ポリピロール（ＰＰｙ）、ポリアニリン（ＰＡＮｉ）、及びポリチオフェン（ＰＴｈ）である。
【００２７】
図５は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）アクチュエータの一例を示し、カーボンナノチューブ４８が電解質４９に懸濁される。電解質は、ナノチューブと二重層を形成し、電荷の注入を可能にする。この二重層電荷注入は、ＣＮＴアクチュエータの主要な機構と考えられる。ＣＮＴは、ＣＮＴに電荷が注入された状態で電極キャパシタとして働き、それは、次いで、電解質がＣＮＴ表面に移動することにより形成される電気二重層によって平衡させられる。炭素原子上の電荷を変化させると、炭素−炭素結合距離の変化がもたらされる。その結果、単一のＣＮＴの膨張及び収縮が観察される。
【００２８】
他の例は、イオンポリマーゲルを含む。使用される電極は、連続であってもよく、セグメント化されてもよいことに留意されたい。
【００２９】
低コスト用途では、低コストトランジスタ技術、例えば、アモルファスシリコントランジスタを使用することが望ましい。これらは、他の低コスト及び低電圧の技術と同様に、一般に、安定性が不十分であり、例えば、閾値電圧ドリフトがあり、それが、使用を困難にし、駆動回路の設計に対して問題を引き起こす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
本発明の目的は、前述の要望を満たすことである。この目的は、独立請求項によって定義される本発明により達成される。従属請求項は、有利な実施形態を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明の一態様による例によれば、アクチュエータデバイスが提供され、アクチュエータデバイスは、
各々がスイッチング回路を有する電流駆動の電気活性ポリマーアクチュエータの行及び列のアクティブマトリクスアレイ
を含み、
スイッチング回路は、
電気活性ポリマーアクチュエータを通る電流を駆動するための駆動トランジスタと、
駆動トランジスタのゲートとソース又はドレインとの間に直列に接続された第１のキャパシタ及び第２のキャパシタであり、スイッチング回路へのデータ入力が、第１のキャパシタと第２のキャパシタとの間の接合点に供給され、それによって、電気活性ポリマーアクチュエータの駆動電圧に由来する電圧まで第２のキャパシタを充電し、駆動トランジスタ閾値電圧に由来する電圧が前記第１のキャパシタに蓄積される、第１のキャパシタ及び第２のキャパシタと、
行のすべての電気活性ポリマーアクチュエータの間で共有されるか、又はアレイのすべての電気活性ポリマーアクチュエータの間で共有され、電気活性ポリマーアクチュエータと基準端子との間にある断路スイッチと
を含む。
【００３２】
このスイッチング回路構成は、閾値電圧を第１のキャパシタに蓄積できるようにし、これは、アクチュエータが動作されるたびに行われ、それによって、閾値電圧の経年変化を補償することができる。このように、経年の影響を補償するために、フレーム時間当たり１回電流供給ＴＦＴの閾値電圧を測定することにより、低い性能の（すなわち、不安定な）トランジスタを使用することができる。
【００３３】
アレイ内の各アクチュエータは、所望であれば、別々に作動させることができる。このようにして、アレイ内の任意のランダムパターンのアクチュエータを、アクチュエータのタイプと無関係に同時に作動させることが可能である（閾値の有無にかかわらず、又は双安定の有無にかかわらず）。
【００３４】
スイッチング回路は、アドレス指定期間が終了した後、プログラマブル電流をＥＡＰアクチュエータに送り出し、それは、ＥＡＰが作動の別の状態に変わる必要があって回路が再びアドレス指定されるまで維持される。
【００３５】
基準端子は、基準電圧を供給するためのものである。基準端子は、接地端子とすることができる。
【００３６】
この駆動手法は、４０Ｖ未満の電圧で電流駆動を必要とするＥＡＰデバイスを駆動するのに特に好適である。コストの理由で、例えば、アモルファスシリコン等のアモルファス半導体又はＩＧＺＯタイプ薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いたアクティブマトリクス設計を使用することができる。しかしながら、他のタイプの半導体を使用することができる。
【００３７】
特に、スイッチング回路は、アモルファスシリコンＴＦＴの閾値電圧増加を克服することができるが、更に、短時間でのスイッチング回路のプログラミングを可能にする。
【００３８】
各スイッチング回路は、入力データラインと、第１のキャパシタ及び第２のキャパシタの間の接合点との間に接続された第１の入力トランジスタを更に含む。この第１のトランジスタは、第２のキャパシタへの蓄積のために、スイッチング回路にデータ電圧を印加する時間を調節する。
【００３９】
各スイッチング回路は、駆動トランジスタのゲートとドレインとの間に接続された第２のトランジスタを更に含む。これは、ドレイン（電源ラインに接続された）から第１のキャパシタへの電流の供給を制御するために使用される。したがって、第２のトランジスタをオンにすることによって、第１のキャパシタはゲート−ソース電圧まで充電される。第２のトランジスタは、行のスイッチング回路間で共有される第１のゲート制御ラインによって制御される。
【００４０】
１つの例では、第１のキャパシタ及び第２のキャパシタは、駆動トランジスタのゲートとソースとの間に直列に接続される。次いで、第３のトランジスタが、第２のキャパシタの端子間に接続され、行のスイッチング回路間で共有される第３のゲート制御ラインによって制御される。第２のゲート制御ライン及び第３のゲート制御ラインは、単一の共用制御ラインを含む。
【００４１】
各スイッチング回路は、駆動トランジスタのソースと接地電位ラインとの間に接続された第４のトランジスタを更に含む。これは、特に、プログラミングシーケンスの間、アクチュエータを動作させることなしに、駆動トランジスタからの電流のためのドレインとして働くために使用される。第４のトランジスタは、更に、行のスイッチング回路間で共有される第４のゲート制御ラインによって制御される。接地電位ラインは、行のスイッチング回路間で共有され、隣接する行のスイッチング回路の第４のトランジスタのための第４のゲート制御ラインを含む。
【００４２】
駆動トランジスタは、ｎ型トランジスタを含むことが好ましい。
【００４３】
本発明の別の態様による例は、各々が、関連するスイッチング回路を有する、電流駆動ＥＡＰアクチュエータのアレイを含むアクティブマトリクスデバイスを駆動する方法を提供し、各スイッチング回路は、関連するアクチュエータを通る電流を駆動するための駆動トランジスタを含み、この方法は、スイッチング回路ごとに、
行のすべての電気活性ポリマーアクチュエータ、又はアレイのすべての電気活性ポリマーアクチュエータを、接地端子から分離するステップと、
駆動トランジスタを通る接地への電流を駆動し、結果として生じるゲート−ソース電圧まで第１のキャパシタを充電するステップと、
駆動トランジスタがオフになるまで第１のキャパシタを放電させ、それによって、第１のキャパシタが閾値電圧を蓄積するステップと、
駆動トランジスタのゲートとソース又はドレインとの間の第１のキャパシタと直列の第２のキャパシタを、データ入力電圧まで充電するステップと、
行のすべての電気活性ポリマーアクチュエータ又はアレイのすべての電気活性ポリマーアクチュエータを接地端子に結合させるステップと、
第１のキャパシタ及び第２のキャパシタ間の電圧に由来するゲート電圧を使用して、ＥＡＰアクチュエータを通る接地への電流を駆動するために駆動トランジスタを使用するステップと
を有する。
【００４４】
この方法は、アドレス指定シーケンスごとに駆動トランジスタ閾値電圧を測定する。この時間の間、ＥＡＰアクチュエータは接地から分離され、その結果、電流はアクチュエータに流れることができない。この方法は、例えば、特にｎ型駆動ＴＦＴを用いたアモルファスシリコンＴＦＴ回路に適しており、その結果、短いプログラミングにより、大きいアクチュエータアレイをアドレス指定することができる。これは、パイプライン化アドレス指定シーケンスにおける閾値電圧測定を介して（すなわち、時間的にオーバーラップする隣接する行のアドレスシーケンスを用いて）、又はブランキング期間のフレームの初めにすべての閾値電圧を測定することによって、この方法で達成される。
【００４５】
パイプライン化アドレスシーケンスにおいて、第２のキャパシタを充電するステップは、データラインとスイッチング回路への入力部との間に接続されたアドレストランジスタをオンに切り替えることによって実行される。行のスイッチング回路ごとのアドレストランジスタは、共通の行アドレス制御ラインによって同時にオンに切り替えられ、１つの行のスイッチング回路のアドレストランジスタは、隣接する行のアドレストランジスタがオフにされた実質的に直後にオンにされる。
【００４６】
ブランキング期間シーケンスにおいて、各スイッチング回路の第１のキャパシタは、駆動フレーム期間の初期の閾値測定期間に、駆動トランジスタのそれぞれの閾値電圧を蓄積するために充電され、フレーム期間の駆動期間は閾値測定期間に続く。
【００４７】
次に、添付図面を参照して、本発明の例を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】クランプされていない既知の電気活性ポリマーデバイスを示す図である。
【図２】裏打層によって束縛されている既知の電気活性ポリマーデバイスを示す図である。
【図３】イオンポリマー金属複合材（ＩＰＭＣ）ＥＡＰの一例を示す図である。
【図４】共役ポリマーアクチュエータの一例を図である。
【図５】カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）アクチュエータの一例を示す図である。
【図６】共役ポリマーの電圧−電流特性の一例を示す図である。
【図７】ＥＡＰアクチュエータのマトリクスアレイのための第１のスイッチング回路構成を示す図である。
【図８】図７の回路の動作の第１のタイミング図である。
【図９】パイプライン化アドレス指定を使用した図７の回路の動作の第２のタイミング図である。
【図１０】デバイスのすべてのスイッチング回路に対してフレームの初めに閾値電圧を測定する方法のタイミング図である。
【図１１】必要とされる行の数を減らす回路変更を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
同じ参照番号が、異なる図において同じ構成要素に対して使用され、これらの構成要素の説明は繰り返されない。
【００５０】
本発明は、各電気活性ポリマーアクチュエータがスイッチング回路を有する電気活性ポリマーアクチュエータの行及び列のアクティブマトリクスアレイを含むアクチュエータデバイスを提供する。スイッチング回路は、駆動トランジスタとキャパシタ構成とを有する。キャパシタ構成は、駆動トランジスタ閾値電圧に由来する電圧と組み合わされた電気活性ポリマーアクチュエータの駆動電圧に由来する電圧まで充電される。キャパシタ構成のこのプログラミングの間、ＥＡＰアクチュエータは、いかなる電流の流れからも切り離される。スイッチング回路は、閾値電圧の経年変化の補償を可能にする。このように、経年の影響を補償するために、フレーム時間当たり１回（又は複数フレーム当たり１回）電流供給ＴＦＴの閾値電圧を測定することにより、低い性能（すなわち、不十分な閾値電圧安定性による）のトランジスタを使用することができる。
【００５１】
図１から図５は、とりわけ、本発明が関係する用途に関連する問題点を紹介するために本発明の導入において説明されており、図は、本発明がどのように実施されるかを明らかにするための説明の不可欠な部分を形成する。
【００５２】
本発明の手法の基礎は、ＴＦＴが電流源として動作するとき、ＴＦＴの特性、特に、閾値電圧が電流出力を規定することである。電流出力は、
Ｉ＝Ｗ／Ｌ×μ×（Ｖｇｓ−Ｖｔ）２
によって与えられる。
【００５３】
ここで、Ｗ及びＬはＴＦＴチャンネルの幅及び長さであり、μは移動度であり、Ｖｇｓはゲート−ソース電圧であり、Ｖｔは閾値である。
【００５４】
図６は、共役ポリマーの電圧−電流特性の一例を示す。図６は、ＰＰｙ共役系に関して、５ｍＶ／ｓの走査速度及び異なる加荷重による電流−電圧特性を示す。図６は、酸化及び還元プロセスを表す（出典：学位論文  Ｄｙｎａｍｉｃｓ  ｏｆ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ａｃｔｕａｔｏｒｓ，  Ｍ．  Ｂａｈｒａｍｉ−Ｓａｍａｎｉ、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｗｏｌｌｏｎｇｏｎｇ、２００７）。
【００５５】
デバイスの作動状態を維持するために電流の流れが必要とされるので、そのようなデバイスは、ＴＦＴを通って流れるかなりの電流とＴＦＴ間の電圧とにより長期間駆動されることになる。次いで、低コスト低電圧薄膜回路の使用に対する問題は、ＴＦＴの閾値電圧の安定性である。一定のバイアス下では、ＴＦＴの閾値電圧が増加し、それゆえに、簡単な定電流回路は、短時間の後に動作を停止することになる。例えばフレーム時間当たり１回電流供給ＴＦＴの閾値電圧を測定することによって、経年の影響が補償される。これにより、最低コストのアクティブマトリクス技術で電流駆動ＥＡＰアクティブアレイが可能になる。
【００５６】
イオンＥＡＰの電流駆動強度は約１０ｍＡ／ｃｍ２である。アレイ要素は、例えば、０．２５ｍｍ２の程度であり、それゆえに、２５μＡの程度の電流が必要とされる。アモルファスシリコントランジスタは、約１ｃｍ２／Ｖｓの移動度を有し、そのため、トランジスタ幅５００μｍ及び７Ｖのオン電圧でこの程度の電流を生成することができる。それゆえに、アモルファスシリコントランジスタの使用は現実的である。
【００５７】
共役ポリマーアクチュエータでは、アクチュエータの変形速度は、電流に線形に依存する。したがって、電流駆動アクチュエータを使用して、両極端の動作レベルの間で作動を制御することができる。
【００５８】
図７は、本発明による第１のスイッチング回路構成を示す。
【００５９】
スイッチング回路トポロジーの主要部分は、例えば、ＷＯ２００４／０６６２４９に開示されているように、アクティブマトリクスＬＥＤデバイスで使用するために本出願人によって提案されている。このときの提案の目的は、電流プログラミング（例えば、電流ミラーを使用する）ではなくピクセルの電圧プログラミングを可能にすることである。このようにして、ピクセル化ディスプレイで必要とされる極めて迅速なプログラミング時間が達成される。アモルファスシリコントランジスタ閾値電圧の経時的な変動を補償することによって、より速い電圧プログラミングが可能になる。
【００６０】
本発明は、低コストＥＡＰアクティブマトリクスアレイを実施するのに適するように改変された閾値電圧補償回路の使用に基づく。
【００６１】
各スイッチング回路は、関連するＥＡＰデバイス５０のためのものであり、電源ライン５２とＥＡＰアクチュエータの端子との間に直列にアモルファスシリコン駆動トランジスタＴＤを含む。ＥＡＰアクチュエータの反対側の端子は、断路スイッチ５８を介して接地５６に接続する。断路スイッチは、ＥＡＰアクチュエータに電流を供給することなしに、プログラミングフェーズを実行できるようにする。２つの別個の電力ライン５２が示されているが、それらは接続されてもよい。
【００６２】
回路はアレイであり、断路スイッチ５８はアレイの外にある。断路スイッチは、安定している標準のシリコン電力スイッチである。このタイプの電力スイッチはデバイスの行ごとに設けられるか、又は以下で説明する代替実施態様では、断路スイッチはアレイ全体に共通である。
【００６３】
駆動トランジスタＴＤは、ＥＡＰデバイス５０を通る電流を駆動するためのものである。
【００６４】
第１のキャパシタＣ１及び第２のキャパシタＣ２は、駆動トランジスタＴＤのゲートとソースとの間に直列に接続される。スイッチング回路へのデータ入力は、第１のキャパシタと第２のキャパシタとの間の接合点６２に供給され、以下で説明するように第２のキャパシタＣ２をスイッチング回路データ電圧まで充電する。第１のキャパシタＣ１は、駆動トランジスタ閾値電圧を第１のキャパシタＣ１に蓄積するためのものである。
【００６５】
入力トランジスタＡ１は、入力データライン６０と、第１のキャパシタ及び第２のキャパシタの間の接合点６２との間に接続される。この第１のトランジスタは、第２のキャパシタＣ２への蓄積のために、スイッチング回路にデータ電圧を印加する時間を調節する。
【００６６】
第２のトランジスタＡ２は、駆動トランジスタＴＤのゲートとドレインとの間に接続される。第２のトランジスタＡ２は、電源ライン５２から第１のキャパシタＣ１への電流の供給を制御するために使用される。したがって、第２のトランジスタＡ２をオンにすることによって、第１のキャパシタＣ１は、駆動トランジスタＴＤのゲート−ソース電圧まで充電される。
【００６７】
第３のトランジスタＡ３は、第２のキャパシタＣ２の端子間に接続される。第３のトランジスタＡ３は、第１のキャパシタのみが駆動トランジスタＴＤのゲート−ソース電圧を蓄積するように第２のキャパシタを短絡するために使用される。
【００６８】
第４のトランジスタＡ４は、駆動トランジスタＴＤのソースと接地との間に接続される。第４のトランジスタＡ４は、特に、スイッチング回路プログラミングシーケンスの間、ＥＡＰデバイスを動作させることなしに、駆動トランジスタからの電流のドレインとして働くために使用される。
【００６９】
キャパシタ６４は、追加の蓄積キャパシタ（図２の回路におけるように）を含むことができ、又はＥＡＰデバイスの自己キャパシタンスを含むことができる。
【００７０】
トランジスタＡ１からトランジスタＡ４は、それらのゲートに接続するそれぞれの行導体によって制御される。以下で更に説明するように、行導体の一部は共有されてもよい。したがって、スイッチング回路のアレイのアドレス指定は、スイッチング回路の行を順番にアドレス指定することを含み、データライン６０は列導体を含み、その結果、スイッチング回路の全部の行が同時にアドレス指定され、行が従来のやり方で順番にアドレス指定される。
【００７１】
図７の回路は、多くの異なるやり方で動作させることができる。
【００７２】
基本動作を最初に説明し、次いで、更にパイプライン化アドレス指定を行うために基本動作を拡張するやり方を説明する。パイプライン化アドレス指定は、隣接する行の制御信号間に若干のタイミングオーバーラップがあることを意味する。
【００７３】
駆動トランジスタＴＤのみが定電流モードで使用される。回路のすべての他のＴＦＴ  Ａ１からＴＦＴ  Ａ４は、短いデューティサイクルで動作するスイッチとして使用される。それゆえに、これらのデバイスの閾値電圧ドリフトは小さく、回路性能に影響を与えない。タイミング図が図８に示される。
【００７４】
プロットＡ１からプロットＡ４は、それぞれのトランジスタに印加されるゲート電圧を表す。プロット「５８」は、断路スイッチ５８に印加される電圧を表し、プロット「ＤＡＴＡ」の透明部分は、データライン６０でのデータ信号のタイミングを表す。ハッチング区域は、データがデータライン６０に存在しない時間を表す。スイッチング回路の他の行のデータがこの時間の間に印加され、その結果、データはデータライン６０にほとんど連続的に印加され、パイプライン動作が提供されることが以下の説明から明らかになる。
【００７５】
回路動作は、駆動トランジスタＴＤの閾値電圧をＣ１に蓄積し、次いで、データ電圧をＣ２に蓄積し、その結果、ＴＤのゲートーソースは、閾値電圧とデータ電圧を加えたものとなる。
【００７６】
回路動作は以下のステップを有する。
【００７７】
アレイの１つの行におけるスイッチング回路の断路スイッチ５８は、その行のＥＡＰアクチュエータを通る電流の流れを防ぐために開にされる。これは、図８のプロット「５８」では負パルスである。
【００７８】
アドレスラインＡ２及びアドレスラインＡ３がハイになって、関連するＴＦＴをオンにする。これにより、キャパシタＣ２は短絡され、キャパシタＣ１の一方の側が電力ラインに接続され、他方の側がＥＡＰデバイスに接続される。
【００７９】
次いで、アドレスラインＡ４がハイになって、そのＴＦＴをオンにする。これにより、ＬＥＤのアノードが接地されて、駆動ＴＦＴ  ＴＤに大きいゲート−ソース電圧が作り出される。このようにして、Ｃ１は充電されるが、Ｃ２は、短絡されたままであるので充電されない。
【００８０】
次いで、アドレスラインＡ４はローになってそれぞれのＴＦＴをオフにし、駆動ＴＦＴは、閾値電圧に達するまでキャパシタＣ１を放電させる。このようにして、駆動トランジスタＴＤの閾値電圧はＣ１に蓄積される。
【００８１】
再び、第２のキャパシタＣ２には電圧がない。
【００８２】
Ａ２がローにされて、第１のキャパシタＣ１の測定された閾値電圧が分離される。Ａ３がローにされ、その結果、第２のキャパシタＣ２はもはや短絡されない。
【００８３】
次いで、Ａ４が再びハイにされて、アノードが接地に接続される。次いで、入力トランジスタがＡ１でのハイパルスによってオンにされている間、データ電圧が第２のキャパシタＣ２に印加される。
【００８４】
最後に、Ａ４がローになり、その後、断路スイッチが起動され、その結果、ＥＡＰデバイスは必要な電流を受け取る。
【００８５】
スイッチング回路の２つ以上の行を一度にプログラムできるように、アドレス指定シーケンスをパイプライン化することができる。したがって、ラインＡ２からラインＡ４及び行方向断路スイッチ５８のアドレス指定信号は、異なる行に対して同じ信号と重複することができる。したがって、アドレス指定シーケンスの長さは長いプログラミング時間を意味せず、有効なライン時間は、単にアドレスラインＡ１がハイであるときに第２のキャパシタＣ２を充電するのに必要とされる時間によってのみ制限される。この期間は、標準のアクティブマトリクスアドレス指定シーケンスの場合と同じである。アドレス指定の他の部分は、全部のフレームタイムが、アレイの最初の数行のために必要なセットアップによってわずかに長くなるにすぎないことを意味する。しかしながら、この設定は、フレームブランキング期間内に容易に行うことができるので、閾値電圧測定のために必要な時間は問題ではない。
【００８６】
パイプラインアドレス指定が、図９のタイミング図に示される。トランジスタＡ２からトランジスタＡ４の制御信号は、単一のプロットに組み合わされているが、動作は図８を参照して説明した通りである。図９の「データ」プロットは、データライン６０をほとんど連続的に使用して連続する行にデータを供給することを示している。
【００８７】
図８及び図９の方法において、閾値測定動作がＥＡＰ作動と組み合わされ、その結果、閾値測定及びＥＡＰ作動は、スイッチング回路の行ごとに順番に実行される。
【００８８】
図１０は、閾値電圧がデバイスのすべてのスイッチング回路に対してフレームの初めに測定される方法のタイミング図を示す。図１０のプロットは、図８のものに対応する。この手法の利点は、アレイ全体に対して１つの電力スイッチしか必要とされない（図８及び図９の方法を実施するために必要とされるような異なる行のための異なるスイッチの代わりに）ことである。欠点は、漏れ電流が若干の作動不均一性をもたらすおそれがあることである。
【００８９】
この方法のための回路図は、アレイ全体を考慮する場合、今では１つの電力スイッチしか存在しないことを除いて、依然として図７である。しかしながら、タイミング図は異なる。事実上、ＥＡＰデバイスのすべてが、低電圧側で組み合わされる（単に図７の行ごとに共通するのではなく）。
【００９０】
図１０に示すように、閾値電圧測定を実行するために、信号Ａ２、信号Ａ３、信号Ａ４及び断路スイッチ信号がブランキング期間にアレイのＥＡＰデバイスのすべてに供給される。信号Ａ４は、ブランキング期間にすべてのスイッチング回路にも同時に供給され、その結果、すべての信号Ａ２から信号Ａ４が、すべての行に同時に供給される。この時間の間、データはスイッチング回路に供給されず、したがって、図１０の底部のデータプロットの網掛け部分となる。
【００９１】
その後のアドレス指定期間に、データが、信号Ａ１と同様に各行に別々に順番に供給される。図１０におけるＡ１のパルスのシーケンスは、連続する行のためのパルスを表しており、各パルスは、データライン６０へのデータの印加にタイミングを合わされる。
【００９２】
図７の回路は、トランジスタの制御及び断路スイッチのために多数の行を有する。
【００９３】
図１１は、必要とされる行の数を減らす回路変更を示す。上述のタイミング図は、信号Ａ２及び信号Ａ３が極めて類似していることを示している。シミュレーションが示すところによれば、Ａ２及びＡ３を実際には同じにすることができ、その結果、１つのアドレスラインしか必要とされない。図７のトランジスタＡ４に関連する接地ラインを前の行のアドレスラインＡ４に接続することによってさらなる低減を行うことができる。図１１の回路は、行ｎ及び行ｎ−１のアドレスラインＡ４を示す。
【００９４】
デバイス内のＥＡＰ層は、一般に、電極間に挟まれる。電極は、ＥＡＰ材料層の変形に従うように伸縮自在である。電極に好適な材料がまた、知られており、例えば、金、銅、若しくはアルミニウム等の金属薄膜、又はカーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、例えば、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホナート）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）等の有機導体からなる群から選択される。例えばアルミニウムコーティングを使用した金属化ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の金属化ポリエステルフィルムを使用することもできる。
【００９５】
異なる層の材料は、例えば、異なる層の弾性率（ヤング率）を考慮して選択される。
【００９６】
上述で論じたものへの追加の層、例えば追加のポリマー層等を使用して、デバイスの電気的又は機械的挙動を適合させることができる。
【００９７】
デバイス内で使用されるめっき電極が非対称構成で配列される場合、物理的変化は、ねじれ、回転、ねじり、屈曲、及び非対称曲げ変形等のすべての種類の変形を引き起こすことができる。
【００９８】
本発明は、アクチュエータのマトリクスアレイが重要である多くのＥＡＰ用途に適用することができる。
【００９９】
多くの用途において、製品の主機能は、ヒト組織の（局所）操作、又は組織接触界面の操作に依存する。そのような用途において、ＥＡＰアクチュエータは、主として、小さいフォームファクタ、柔軟性、及び高エネルギー密度のために、独特の利点を提供する。そのために、ＥＡＰは、柔らかく、３Ｄ形状の、及び／又は小型の製品及びインタフェースに容易に統合される。そのような用途の例は次の通りである。
皮膚を伸ばすか又はしわを減らすために皮膚に一定の又は周期的な伸張を加えるＥＡＰベース皮膚パッチの形態の皮膚操作デバイス等の皮膚化粧療法。
顔面発赤跡を減じるか又は防ぐ交互垂直圧力を皮膚に与えるために、ＥＡＰベースアクティブクッション又はシールを有する患者インタフェースマスクをもつ呼吸デバイス。
適応シェービングヘッドをもつ電気カミソリ。皮膚に接触する面の高さが、近さと刺激との間のバランスに影響を及ぼすためにＥＡＰアクチュエータを使用して調節される。
特に歯の間の空間でのスプレーの届く範囲を改善するために、動的ノズルアクチュエータをもつエアフロス等の口腔洗浄デバイス。代替として、歯ブラシが、活動的タフトを備えてもよい。
ユーザインタフェース内に又はその近くに統合されたＥＡＰトランスデューサのアレイを介して局所触覚フィードバックを与える家電機器又はタッチパネル。
曲がりくねった血管内で容易にナビゲーションすることができる可動先端をもつカテーテル。
【０１００】
ＥＡＰアクチュエータから利益を得る関連用途の別のカテゴリは、光の修正に関連する。レンズ、反射面、回折格子等のような光学要素は、ＥＡＰアクチュエータを使用した形状又は位置適応によって適応化される。ここで、ＥＡＰアクチュエータの利点は、例えば、より低い電力消費である。
【０１０１】
例えば、第１のキャパシタ及び第２のキャパシタが駆動トランジスタのゲートとドレインとの間に直列に接続され、それらの間の接合点がさらなるトランジスタを介してソースに接続される他の回路オプションが、ＷＯ  ２００４／０６６２４９に示されている。さらなる詳細についてはＷＯ  ２００４／０６６２４９を参照されたい。これらの他の回路オプションを使用することもできる。したがって、ゲート−ソース電圧ではなくゲート−ドレイン電圧がキャパシタ構成の両端に蓄積される回路オプションも可能である。
【０１０２】
本発明は、アモルファスシリコン薄膜トランジスタにより実施されるとして上述で説明された。例えば、Ｎａｔｕｒｅ  ４３２：４８８〜４９２に記載されているようなインジウムガリウム亜鉛酸化物（ＩＧＺＯ）半導体デバイス等の、使用することができる他の技術がある。
【０１０３】
酸化亜鉛に対するＩＧＺＯの利点は、酸化物半導体に共通する高いキャリア移動度を保持しながら均一なアモルファス相として堆積されることである。ＩＧＺＯ−ＴＦＴは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）及び電子ペーパーでしばしば使用されるアモルファスシリコンの２０〜５０倍の電子移動度を有する。不安定性に苦慮しているさらなる他のアモルファス半導体又は実際には任意の半導体は、本発明の使用から利益を得ることができる。
【０１０４】
透明導電性酸化物（ＴＣＯ）合成に最も広く使用されている技法は、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）である。ＰＬＤでは、固体元素ターゲットにナノサイズのスポットを合焦するためにレーザが使用される。レーザパルス周波数が、膜の組成を制御するためにターゲット間で比率で変更される。ＩＧＺＯは、低温堆積できるために、石英、単結晶シリコン、又は更にプラスチック等の基板上に堆積される。基板は、好ましい電気的性質を保証するために酸素圧力を制御するＰＬＤ真空チャンバ内に置かれる。合成の後、膜は、アニールされるか、又は大気に順応するように空気に徐々に曝される。
【０１０５】
ＥＡＰアクチュエータは、応答が遅い。したがって、駆動方式は、スイッチング回路をプログラムし、駆動し、次いで、休止することを含む。これにより、駆動トランジスタの経年変化が遅くなる。
【０１０６】
開示した実施形態への他の変形が、図面、本開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から、請求される発明を実施する際に、当業者によって理解され達成され得る。特許請求の範囲において、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という単語は、他の要素又はステップを排除せず、「ａ」又は「ａｎ」という不定冠詞は複数を排除しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有利に使用できないことを示していない。特許請求の範囲のいかなる参照符号も範囲を限定するものとして解釈されるべきでない。
【０１０７】
要約すると、本発明は、各電気活性ポリマーアクチュエータがスイッチング回路を有する電気活性ポリマーアクチュエータの行及び列のアクティブマトリクスアレイを含むアクチュエータデバイスに関する。スイッチング回路は、駆動トランジスタとキャパシタ構成とを有する。キャパシタ構成は、駆動トランジスタ閾値電圧に由来する電圧と組み合わされた電気活性ポリマーアクチュエータの駆動電圧に由来する電圧まで充電される。キャパシタ構成のこのプログラミングの間、ＥＡＰアクチュエータは、いかなる電流の流れからも切り離される。スイッチング回路は、閾値電圧の経年変化の補償を可能にする。このように、経年の影響を補償するために、フレーム時間当たり１回（又は複数フレーム当たり１回）電流供給ＴＦＴの閾値電圧を測定することにより、低い性能（すなわち、不十分な閾値電圧安定性による）のトランジスタを使用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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